理想是頑固的——愛因斯坦與量子

普朗克在20世紀的第一年，抱著一個名叫「量子」的新生兒站到了世人眼前。不過，如果仔細地觀看普朗克的表情，會察覺出更多的是茫然。因為「量子」一詞是他在考慮一個非常具體的經典問題時，作為一種權宜的手段被迫引入的。所以普朗克很小心地迴避了「量子」給人提出的尖銳問題：如果在單個原子的輻射發光行為當中，能量確實是一份一份出現的，那將會在多大程度上和當時作為物理學基礎的力學和電動力學產生直接的衝突？

世界從此有了光子

5年之後的1905年，供職於瑞士專利局，屬於最低級別的三級技術的愛因斯坦，無畏地接受了量子新生兒的挑釁眼光。在那年3月份撰寫的一篇論文中，他循著一條直截了當的途徑，抓住了問題的實質：物質是由一個個原子組成的，按照經典的電動力學原理，一個個原子運動所激發出來的電磁波被認為是連續變化的，這裡面的矛盾一直沒有被深究，而愛因斯坦則乾脆提出，電磁波本身也可以看成是一份一份的，這就是所謂的光量子（光子）。

光子的概念使得我們立刻理解了一切關於物質發射光和吸收光，以及一些輻射場的現象，如果我們只把光看作是電磁場的波動，無論如何也無法理解這些現象。

然而在當時的物理學家看來，光子的概念是非常難以接受的，因為要問光（電磁波）究竟是什麼東西時，如果回答說既是電磁場的一種波動形式，又是可以一份一份單個出現的粒子形式，那簡直是過於艱難的事情。以至於最早被迫提出量子概念的普朗克直到1913年還表示反對這個概念，甚至愛因斯坦自己在1911年的時候也還近乎無奈地感嘆到：「至於這些光量子是否確實存在過，我不再過問了，我也不再去設法解釋它們，因為，我已經明白，我的腦子是無法透徹理解它們的。」

7年之後，他從無奈到徹底地承認了光量子概念的真實性：「對於輻射中量子的實在性，我不再存疑，儘管至今只有我一個人有這種信念。」

而只是承認某種東西是真實存在的，不意味著一定知道那是一個什麼東西，就好像一件無頭案，案件肯定是真實發生過的事情，但我們還不知道其真相。對於愛因斯坦來說最富戲劇性的是，在最初十多年裡似乎還只是他一個人在孤身捍衛量子概念的真實性，而後來幾乎是一夜之間人們紛紛都承認了量子的真實性，甚至到後來越來越多的人都認為自己理解了量子的真相，而唯獨愛因斯坦，這位在量子觀念的早期歷史當中最重要的捍衛者和推動者，反而拒絕認可其他人所公認的真相！

從弄潮到觀潮

愛因斯坦應該可以說是20世紀物理學歷史上最偉大的人物了，然而他的一生總是跟主流物理學有些格格不入：在他迅猛地發展光量子概念的時候，還沒有幾個人是他的戰友；當一群年輕人在「魔法師」玻爾的領導下構建嶄新的量子力學新世界，並迅速佔據了主流物理學位置的時候，他卻至死都對後生們所闡述的量子理論強烈不滿。這大概也是20世紀最饒有趣味的一段歷史：

——1905年，愛因斯坦明確提出了光子的概念，牛刀小試就圓滿地解釋了曾經令人百思不得其解的光電現象。

——1906年，愛因斯坦緊接著就把量子的概念擴充到組成物質的粒子的振動上面，由此就輕巧地解決了19世紀末最大的疑難問題之一：低溫時物體的比熱為什麼總是比按照經典理論預測的要低很多？

——隨著1911年盧瑟福提出原子的有核模型，以及在1913年玻爾天才地把量子觀念引入對原子光譜的理解，愛因斯坦敏銳地在1916年運用玻爾的理論，直接推導出了普朗克最初被迫引入量子概念的輻射公式，從而替普朗克解除了最大的心病，即為什麼在物體的發光輻射過程當中，我們不得不使用量子的觀念才能正確地理解其現象。令人驚奇的是，在這篇世紀初的文章當中，愛因斯坦順便從理論上提出了50年後才問世的激光的產生原理。

——1924年，量子力學的奠基人之一德布羅意剛提出物質波的假說，愛因斯坦就直接把這個假說拿來用於研究氣體的統計問題，從而建立了後來成為量子統計方法的基礎之一的玻色—愛因斯坦量子統計理論。而基於這個理論，後來人們通過實驗證實了微觀粒子確實同時具有波的性質和粒子的性質，而這種所謂微觀粒子的波粒二象性，正是隨後誕生的量子力學最基礎的概念之一。

由此我們可以知道愛因斯坦確實是量子力學正式誕生之前，對於量子觀念最重要的先行者。不過從1925年開始，追隨玻爾的年輕人們，諸如海森堡、波恩、泡利等人發動了一場物理學歷史上最為波瀾壯闊的理論狂飆，建立起了最具叛逆精神的量子力學，並通過那一套令人眼花繚亂的新鮮理論，迅速地解決了微觀世界的種種疑難問題。這時，愛因斯坦卻幾乎是完全地退出了量子理論發展的前沿陣地。

原因很簡單，愛因斯坦一方面先知似地認識到了量子觀念的真實性，另一方面卻完全不相信以玻爾為首的年輕學者們所做出的對於量子實質的解釋，因為一種似乎破壞了因果律和客觀實在性的量子力學完全不符合他自己對於物理理論的理想。

絕頂爭鋒

可以說，愛因斯坦把量子力學目前的形式看成是一個半成品，固然這個理論總是正確的，但還不符合愛因斯坦對於屬於物理學基礎的最終理論的理想。為此，從1920年愛因斯坦和玻爾這兩個20世紀物理學偉人第一次在柏林會面開始，他們兩人就基於各自的物理學理想，進行了長達數十年的交流和爭論，這種爭論在1927年的比利時索爾威物理學會議上達到一個高峰。在會下他們倆連續多日進行了激烈的交鋒，愛因斯坦運用他在創立相對論時就已經表露無遺的進行理想實驗的天才，不斷地提出新的實驗設計，試圖揭示量子力學的內在不完備，而玻爾同樣天才地進行反駁，迫使愛因斯坦不得不尋求對實驗的改進。對於這場偉人之間的碰撞，同時在場的物理學家艾倫菲斯特作了生動的描述：

「這就像一場棋賽一樣。愛因斯坦永遠有新的例子。……玻爾在哲學的雲霧以外不斷地尋求工具來粉碎一個又一個的例子。愛因斯坦像一個盒子里的彈簧人那樣，每天早晨都精神抖擻地跳出來……」

他們倆的這種基於理想實驗的交鋒可以說一直貫穿了他們此後的生活。玻爾在他去世的前一天，還在他家裡的黑板上畫了一個「愛因斯坦盒」，即愛因斯坦設計的一個質疑量子力學基礎的實驗裝置；而愛因斯坦則自始至終地認為量子理論「根本無法描述實在狀態，而只是描述了實在狀態的一種不完備的知識」。他在1935年對量子力學的基礎做出了有史以來力道最強的一次反擊：他和另外兩個年輕人玻道爾斯基、羅森合作，直接了當地用「物理實在的量子力學描述能不能被認為是完備的？」作為標題發表了一篇文章，對量子力學進行終極拷問，並提出一個他認為最終可以說明量子力學的不完備性的理想實驗。

然而，偉大的愛因斯坦唯獨在這點上似乎最終是錯了，因為隨著21世紀的到來，納米技術和激光技術獲得飛速發展，當初愛因斯坦和玻爾所設計的那些理想實驗都逐步地可以真實實現了，在1935年那篇文章裡面提出的理想實驗甚至構成當今最熱門的量子計算機的一個設計基礎。而所有那些實驗的結果對於愛因斯坦來說都有些殘忍，就是玻爾對了，而愛因斯坦錯了。